JP2007101279A - Correction coefficient determining method of rectangular coordinate moving mechanism, and collecting method of measuring data - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、直交三軸を運動軸とする直交座標運動機構の各軸のリニアリティおよび各軸間の直角度の補正係数を決定するための直交座標運動機構の補正係数決定方法および測定データの収集方法に関する。 The present invention relates to a method for determining a correction coefficient of a Cartesian coordinate motion mechanism and a collection of measurement data for determining the linearity of each axis of the Cartesian coordinate motion mechanism having three orthogonal axes as motion axes and the correction coefficient of the perpendicularity between the axes. Regarding the method.
三次元測定機のような三軸が直交した運動機構を持つ装置の運動誤差は、一軸当たり、リニアリティ、2方向の真直度、ピッチング、ヨーイング、ローリングの6個、さらに各軸間の直角度誤差3個の合計6×3+3=21のパラメータで表される。このような直交座標運動機構において、高精度な運動機構を実現するためには、これらの運動誤差に対して数値補正を適用することが有効である。三次元測定機の場合は、レーザ干渉計やブロックゲージ、ステップゲージ等の長さ基準器、ストレートエッジ等を用いて、これらの運動誤差の補正パラメータを算出する。しかし、これらの補正パラメータを適用して数値補正を行っても、補正の残差が生じる場合には、数値補正された結果に加算して、さらに補正係数を適用する必要がある。この補正係数は、例えば各軸リニアリティのスケールファクタと、直角度誤差から求められる。 The motion error of a device with a motion mechanism in which three axes are orthogonal, such as a three-dimensional measuring machine, is 6 per axis, linearity, straightness in two directions, pitching, yawing and rolling, and squareness error between each axis. It is expressed by a total of 3 parameters of 6 × 3 + 3 = 21. In order to realize a highly accurate motion mechanism in such a Cartesian coordinate motion mechanism, it is effective to apply numerical correction to these motion errors. In the case of a three-dimensional measuring machine, these motion error correction parameters are calculated using a length reference device such as a laser interferometer, block gauge or step gauge, straight edge, or the like. However, even if numerical correction is performed by applying these correction parameters, if a correction residual is generated, it is necessary to add a correction coefficient to the result of the numerical correction and then apply the correction coefficient. This correction coefficient is obtained from, for example, the scale factor of each axis linearity and the squareness error.
一方、従来、三次元測定機の精度検査に三次元空間内の任意の方向に設置可能なブロックゲージ、ステップゲージ等を用いることが知られている(特許文献1)。しかし、この特許文献1には、補正係数の算出に際して、どのような測定を行うかの具体的手順は開示されていない。
本発明は、各軸リニアリティと直角度の補正係数を、少ない測定回数で一括推定することを可能にする簡便な直交座標運動機構の補正係数決定方法及び測定データの収集方法を提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide a simple orthogonal coordinate motion mechanism correction coefficient determination method and measurement data collection method that can collectively estimate the linearity and squareness correction coefficients for each axis with a small number of measurements. And
本発明に係る直交座標運動機構の補正係数決定方法は、互いに直交する三軸を運動軸とする運動機構の前記各軸のリニアリティおよび各軸間の直角度の補正係数を決定する補正係数決定方法において、前記三軸で規定される直方体の対角4方向及び前記三軸方向の計7方向について長さが既知である長さ基準器を用いた長さ測定を行って測定値データを取得するステップと、前記測定データから前記各方向についての誤差を求めるステップと、前記求められた各方向についての誤差から最小二乗法により前記各軸のリニアリティおよび各軸間の直角度の補正係数を一括推定するステップとを備えていることを特徴とする。 The correction coefficient determination method for the Cartesian coordinate motion mechanism according to the present invention is a correction coefficient determination method for determining the linearity of each axis of the motion mechanism having three axes orthogonal to each other as the motion axis and the correction coefficient of the perpendicularity between the axes. , The length measurement is performed using a length reference device having a known length in four diagonal directions of the rectangular parallelepiped defined by the three axes and a total of seven directions of the three axes, thereby obtaining measurement value data. A step of obtaining an error in each direction from the measurement data, and collectively estimating a linearity of each axis and a squareness correction coefficient between the axes by a least square method from the obtained error in each direction And a step of performing.
また、本発明に係る測定データの収集方法は、互いに直交する三軸を運動軸とする運動機構の前記各軸のリニアリティおよび各軸間の直角度の補正係数を一括推定するための測定データの収集方法であって、長さ基準器を、前記三軸で規定される直方体の対角4方向及び前記三軸方向の計7方向について配置して、前記運動機構を動作させて各方向について長さ測定を行うことにより各方向についての測定データを収集することを特徴とする。 In addition, the measurement data collection method according to the present invention includes measurement data for collectively estimating the linearity of each axis of the motion mechanism having three axes orthogonal to each other and the correction coefficient of the perpendicularity between the axes. In the collecting method, the length reference device is arranged in a total of 7 directions of 4 diagonal directions of the rectangular parallelepiped defined by the three axes and the three axis directions, and the movement mechanism is operated to increase the length in each direction. Measurement data for each direction is collected by measuring the length.
本発明の直交座標運動機構の補正係数決定方法によれば、三軸で規定される直方体の対角4方向及び前記三軸方向の計7方向について長さが既知である長さ基準器を用いた長さ測定を行って測定値データを取得し、この測定データから各方向についての誤差を求め、求められた各方向についての誤差から最小二乗法により前記各軸のリニアリティおよび各軸間の直角度の補正係数を一括推定するようにしているので、各軸リニアリティと直角度の補正係数を、少ない測定回数で一括推定することができる。 According to the correction coefficient determination method for the Cartesian coordinate motion mechanism of the present invention, a length reference device whose length is known in four diagonal directions of a rectangular parallelepiped defined by three axes and a total of seven directions of the three axes is used. Measurement data is obtained by measuring the measured length, and the error in each direction is obtained from this measurement data.The linearity of each axis and the straight line between each axis are obtained from the obtained error in each direction by the least square method. Since the angle correction coefficient is collectively estimated, the linearity of each axis and the square angle correction coefficient can be estimated collectively with a small number of measurements.
また、本発明の測定データ収集方法によれば、長さ基準器を、三軸で規定される直方体の対角4方向及び三軸方向の計7方向について配置して、運動機構を動作させて各方向について長さ測定を行うことにより各方向についての測定データを収集するようにしているので、各軸リニアリティと直角度の補正係数を推定するのに必要なデータを少ない測定回数で収集することが可能になる。一括推定することができる。 In addition, according to the measurement data collection method of the present invention, the length reference device is arranged in a total of 7 directions of 4 diagonal directions and 3 axis directions of a rectangular parallelepiped defined by 3 axes, and the motion mechanism is operated. Since the measurement data for each direction is collected by measuring the length in each direction, the data necessary to estimate the linearity of each axis and the correction factor of the squareness should be collected with a small number of measurements. Is possible. Batch estimation is possible.
以下、本発明の好ましい実施の形態について説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.
[比較例]
先ず、本発明の一実施形態を説明するに当たり、比較例として直交座標系の各軸リニアリティと、各隣接軸間の直角度の補正係数をそれぞれ個別に算出する方法について説明する。なお、ここでは、一例としてステップゲージを測定することによって、補正係数を取得する方法について説明する。
[Comparative example]
First, in describing one embodiment of the present invention, as a comparative example, a method for individually calculating each axis linearity of an orthogonal coordinate system and a perpendicularity correction coefficient between adjacent axes will be described. Here, as an example, a method for obtaining a correction coefficient by measuring a step gauge will be described.
図4にステップゲージの概要を示す。ステップゲージ10は棒状のベース11の上にN個のブロック121,122,…,12Nが1方向に一定間隔で配列されて固定されたもので、ベース11の一端に設定された基準面Sから、各ブロック121〜12Nの端面までの距離Li(i=1,2,…,N)が校正された長さ基準器である。各ブロック端面までの距離の校正値ベクトルをL={L1、L2、・・・、Ln}とする。このステップゲージ10を三次元測定機の測定空間内の任意方向に設置する。この状態で、プローブでN個のブロック121〜12Nの端面位置を測定し、N個の測定値ベクトルM={M1、M2、・・・Mn}を得る。測定値Mと校正値Lの差を計算すれば、長さ測定の誤差ベクトルε={ε1、ε1、ε2、・・・εn}が得られる。例えばステップゲージ10を三次元測定機のY軸に沿って設置した場合は、この測定長さに対応した誤差εの一次成分がY軸のリニアリティの補正係数となる。
FIG. 4 shows an outline of the step gauge. The
各軸リニアリティの補正係数を算出するための測定において、ステップゲージ10を三次元測定機の測定空間内に設置する位置を図5に示す。測定空間となる直方体Cにおいて、X軸の補正係数を取得する場合は[1]、Y軸の補正係数を取得する場合は[2]、Z軸の補正係数を取得する場合は[3]の位置にステップゲージを設置し、それぞれ長さ測定誤差列{ε}を求め、補正係数を算出する。
FIG. 5 shows a position where the
続いて、直角度の補正係数を算出するための測定の例として、X軸とY軸の直角度の補正係数を算出するための測定において、ステップゲージを三次元測定機の測定空間内に設置する位置を図6に示す。この例では測定空間である直方体Cの一面を形成するXY平面内の対角線方向において、[4]と[5]に示す2組の測定を行う。校正値ベクトルLと、2組の測定値ベクトルM[4]、M[5]とから求められる誤差ベクトルε[4]、ε[5]は、直角度誤差が存在する場合には一方が正方向、もう一方が負方向の誤差を生じる。ε[4]、ε[5]の差から、X軸とY軸の直角度の補正係数を算出することができる。すべての直角度の補正係数を算出するために、X軸とZ軸の間、Y軸とZ軸の間、それぞれに対して同様の測定と補正係数の算出を行う。合計で6組の測定が必要である。 Subsequently, as an example of the measurement for calculating the squareness correction coefficient, a step gauge is installed in the measurement space of the coordinate measuring machine in the measurement for calculating the squareness correction coefficient of the X axis and the Y axis. The position to perform is shown in FIG. In this example, two sets of measurements shown in [4] and [5] are performed in the diagonal direction in the XY plane that forms one surface of the rectangular parallelepiped C that is the measurement space. The error vectors ε [4] and ε [5] obtained from the calibration value vector L and the two sets of measured value vectors M [4] and M [5] are positive when one of the squareness errors exists. An error occurs in the direction and the other direction in the negative direction. From the difference between ε [4] and ε [5] , the correction coefficient of the perpendicularity between the X axis and the Y axis can be calculated. In order to calculate all squareness correction coefficients, the same measurement and correction coefficient calculation are performed between the X axis and the Z axis, and between the Y axis and the Z axis, respectively. A total of 6 sets of measurements are required.
以上により、三軸が直交した運動機構を持つ装置の、リニアリティと直角度の補正係数を算出することができる。 As described above, the linearity and squareness correction coefficients of the apparatus having the motion mechanism in which the three axes are orthogonal can be calculated.
この方法の問題点として、ステップゲージ測定回数が多いことと、補正係数の算出が煩雑であることがあげられる。この方法では、各軸のリニアリティのために3回、直角度のために6回、合計で9回ステップゲージを測定する必要がある。また、はじめにX軸のリニアリティを測定して補正係数を算出し、続いてY軸及びZ軸について同様に算出し、その後直角度の補正係数を算出する、といったように順次補正係数を算出していくので、手順が煩雑である。また、ひとつの補正係数を算出して数値補正に利用した後は、確認のための測定をその都度実行することが必須であり、さらに手順の煩雑化を生じさせる。 Problems of this method include a large number of step gauge measurements and a complicated calculation of the correction coefficient. In this method, it is necessary to measure the step gauge three times for linearity of each axis and six times for squareness, for a total of nine times. In addition, the correction coefficient is calculated sequentially by first measuring the linearity of the X axis and calculating the correction coefficient, then calculating similarly for the Y axis and the Z axis, and then calculating the correction coefficient for the squareness. The procedure is complicated. In addition, after calculating one correction coefficient and using it for numerical correction, it is essential to perform measurement for confirmation each time, which further complicates the procedure.
そこで本発明では、各軸リニアリティと直角度の補正係数を、7組の測定値から最小二乗法によって一括で推定する簡便な手法を提案する。 Therefore, the present invention proposes a simple method for collectively estimating the linearity and squareness correction coefficients for each axis from the seven sets of measured values by the least square method.
[実施形態1]
図1は、本発明の一実施形態に係る直交座標運動機構の補正係数決定方法を説明するための図で、直交座標運動機構として三次元測定機を、また長さ基準器としてステップゲージを用いた例を示す図である。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a diagram for explaining a correction coefficient determination method for a Cartesian coordinate motion mechanism according to an embodiment of the present invention. A coordinate measuring machine is used as a Cartesian coordinate motion mechanism, and a step gauge is used as a length reference device. FIG.
三次元測定機20は、次のように構成されている。図示しないワークを載置する定盤21の両側端からアーム支持体22,23が立設され、それらの上端でX軸ガイド24が支持されている。アーム支持体22は、その下端がY軸駆動機構25によってY軸方向に駆動され、アーム支持体23は、その下端がエアーベアリングによって定盤21上にY軸方向に移動可能に支持されている。X軸ガイド24は、垂直方向に延びるZ軸ガイド26をX軸方向に駆動する。Z軸ガイド26には、Z軸アーム27がZ軸ガイド26に沿って駆動されるように設けられ、Z軸アーム27の下端に接触式のプローブ28が装着されている。このプローブ28が定盤21上に載置されたワークに接触したときに、プローブ28からコントローラ31にタッチ信号が出力され、そのときのXYZ座標値をコントローラ31が取り込むようになっている。コンピュータ32は、コントローラ31で取り込んだXYZ座標値から後述する補正係数算出処理を実行する。
The three-
補正係数の決定に当たり定盤21には、図4と同様のステップゲージ10が載置される。このステップゲージ10は、定盤21に設置される支持機構40に支持されている。支持機構40は中心軸がZ軸に沿った円柱状で、その下端が定盤21に設置されるベース41を形成し、上端がステップゲージ10と連結される連結部42を形成している。連結部42は、ステップゲージ10を、Z軸(垂直方向)を回転軸として回転可能に、且つZ軸と平行な任意の面内で回転可能に連結する。この構造により、ステップゲージ10を三次元測定機20の三次元測定空間に対して任意の方向に配置することが可能になる。
In determining the correction coefficient, the
図2は、本実施形態における、コンピュータ32で実行される各軸のリニアリティと各軸間の直角度の補正係数を最小二乗法により一括推定する処理を示すフローチャート、図3は上記処理に必要なステップゲージ10の配置方向を示す図である。 FIG. 2 is a flowchart showing a process for collectively estimating the linearity of each axis and the correction coefficient of the squareness between each axis, which is executed by the computer 32, and FIG. 3 is necessary for the above process. It is a figure which shows the arrangement | positioning direction of the step gauge.
ステップゲージ10は、図3に示すように、三次元測定機20の測定空間を示す直方体Cの対角方向[1]〜[4]と、X軸、Y軸、Z軸の各軸に沿った方向[5]〜[7]の、合計7つの方向に配置する。そして、各方向について長さ測定を行う(S1)。いま、[1]の方向に配置されたステップゲージ10を三次元測定機20で測定することにより得られた測定値ベクトルをM1,同じく[2]の方向の測定値ベクトルをM2,…,[7]の方向の測定値ベクトルをM7とすると、これらの測定により、以下に示すM1〜M7の計7組の測定値ベクトルを得ることができる(S1)。
As shown in FIG. 3, the
次に、7組の測定値ベクトルM1〜M7と、各ブロック端面までの距離の校正値ベクトルL={L1、L2、・・・、Ln}との差から、以下に示す7組の誤差ベクトルε1〜ε7を得る(S2)。 Next, from the difference between the seven measurement value vectors M 1 to M 7 and the calibration value vector L = {L 1 , L 2 ,..., L n } of the distance to each block end face, the following is shown. Seven sets of error vectors ε 1 to ε 7 are obtained (S2).
αxy,αxz,αyz:直角度の補正係数
αx,αy,αz:各軸のリニアリティの補正係数
α01,α02,…,α07:[1]〜[7]の測定の誤差の0次成分
である。
α xy , α xz , α yz : Squareness correction coefficient α x , α y , α z : Linearity correction coefficient for each axis α 01 , α 02 ,..., α 07 : Measurement of [1] to [7] This is the zero-order component of the error.
本方法では、αxy,αxz,αyzと、αx,αy,αzと、合計6つの補正係数を一括推定することが目的である。この補正係数は、誤差ベクトルの1次成分で決定される。0次成分は補正係数の算出には必要ないので、α01,α02,…,α07に分離する。 The purpose of this method is to collectively estimate a total of six correction factors, α xy , α xz , α yz , α x , α y , α z . This correction coefficient is determined by the primary component of the error vector. Since the zero-order component is not necessary for calculating the correction coefficient, it is separated into α 01 , α 02 ,..., Α 07 .
誤差ベクトルεと補正係数ベクトルαは、係数行列Yを仲介として次式の関係にある。 The error vector ε and the correction coefficient vector α have the following relationship with the coefficient matrix Y as an intermediary.
ここで、[1]の1番目の測定点の座標値をX11={x11,y11,z11}、測定の方向ベクトルをa11={ai11,aj11,ak11}とすると、数6中の[Yxy11 Yxz11 Yyz11]は、X11とa11の外積誤差成分を示す係数であり、[Yx11 Yy11 Yz11]は、X11とa11の内積誤差成分を示す係数である。
数6から、最小二乗法の正規方程式は次式のように与えられる。
Here, [1] the coordinate values of the
From
[実施形態2]
最小二乗法を用いて補正係数を一括推定する場合に、[1]〜[7]のそれぞそれの測定において測定点数が異なった場合には、点数の多い測定結果の重みが増し、一括推定した結果に不具合を生じる場合がある。その場合は、重み係数行列Wを適切に選択し、数7を次式のように変更すれば、測定点数の違いに対してロバストに一括推定することが可能になる。
[Embodiment 2]
When the correction coefficient is collectively estimated using the least square method, if the number of measurement points is different in each measurement of [1] to [7], the weight of the measurement result having a large number of points is increased, and the batch estimation is performed. In some cases, the result may be defective. In that case, if the weighting coefficient matrix W is appropriately selected and
本発明により、各軸リニアリティと直角度の補正係数を、7組の測定値から一括で推定する簡便な手法を提案することができる。すなわち、比較例の方法では測定回数が9回必要であったのに対し、本発明では7回で良いので、校正作業の高速化が可能である。また、補正係数の算出は1回行えばよいので、手順の簡略化も実現できる。 According to the present invention, it is possible to propose a simple method for collectively estimating the linearity and the squareness correction coefficient from seven sets of measured values. That is, in the method of the comparative example, the number of times of measurement is 9 times, whereas in the present invention, 7 times is sufficient, so that the speed of the calibration work can be increased. Further, since the correction coefficient needs to be calculated only once, the procedure can be simplified.
10…ステップゲージ、20…三次元測定機、31…コントローラ、32…コンピュータ、40…支持機構。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記三軸で規定される直方体の対角4方向及び前記三軸方向の計7方向について長さが既知である長さ基準器を用いた長さ測定を行って測定値データを取得するステップと、
前記測定データから前記各方向についての誤差を求めるステップと、
前記求められた各方向についての誤差から最小二乗法により前記各軸のリニアリティおよび各軸間の直角度の補正係数を一括推定するステップと
を備えたことを特徴とする直交座標運動機構の補正係数決定方法。 In the orthogonal coefficient motion mechanism correction coefficient determination method for determining the linearity of each axis of the motion mechanism having three motion axes orthogonal to each other and the perpendicularity correction coefficient between the axes,
Obtaining measurement data by performing length measurement using a length reference device having a known length in four diagonal directions of the rectangular parallelepiped defined by the three axes and a total of seven directions of the three axes; ,
Obtaining an error for each direction from the measurement data;
And a step of collectively estimating linearity of each axis and a correction coefficient of perpendicularity between each axis by a least-squares method from an error in each direction obtained. Decision method.
ことを特徴とする請求項1記載の直交座標運動機構の補正係数決定方法。 The step of collectively estimating the correction coefficient is a step of obtaining the correction coefficient by a weighted least square method from an error in each direction when the number of the measurement value data is different for each length measurement in each direction. The correction coefficient determination method for the Cartesian coordinate motion mechanism according to claim 1.
長さ基準器を、前記三軸で規定される直方体の対角4方向及び前記三軸方向の計7方向について配置して、前記運動機構を動作させて各方向について長さ測定を行うことにより各方向についての測定データを収集する
ことを特徴とする測定データの収集方法。 A method of collecting measurement data for collectively estimating linearity of each axis of a motion mechanism having three axes orthogonal to each other as a motion axis and a correction factor of perpendicularity between each axis,
By arranging length reference devices in a total of 7 directions including the diagonal 4 directions of the rectangular parallelepiped defined by the three axes and the three axes, the length is measured in each direction by operating the motion mechanism. A method for collecting measurement data, characterized by collecting measurement data for each direction.
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